加速器とは
加速器(かそくき)とは、荷電
粒子を加速するための装置であり、科学研究や医療技術など多様な分野で広く応用されています。加速器は、
原子核や
素粒子の実験に用いられ、最大で
光速に近い速度まで
粒子を加速することが可能です。その機能は、癌治療や新素材の開発など、実用分野にも役立っています。加速器の利用方法には、
粒子を固定標的に衝突させる「フィックスドターゲット実験」と、加速した
粒子同士を衝突させる「コライダー実験」があります。
加速器の歴史と発展
加速器の起源は、1919年に
アーネスト・ラザフォードによる
窒素原子核の破壊発見に遡ります。彼は、7.7MeVのα線を使って
窒素原子核を攻撃し、その中で最初の人工的な
原子核の破壊を実現しました。この発見は、荷電
粒子を加速して
原子核に
エネルギーを与えるという考え方につながりました。
1932年、
ジョン・コッククロフトと
アーネスト・ウォルトンが高
電圧を利用して
リチウム原子核を変換に成功したことで、加速器による
原子核研究が本格化しました。この成功を受けて、加速器の設計や開発が加速し、様々なタイプの加速器が生まれました。
加速器の種類
加速器はその加速方式によって大きく分類されます。主に以下の3つのタイプがあります。
1.
静電加速器: 高
電圧を利用して荷電
粒子を加速します。主なものとしてコッククロフト・ウォルトン型とヴァンデグラフ型があります。
- コッククロフト・ウォルトン型は、ダイオードとコンデンサーを使用して高
電圧を生成します。
- ヴァンデグラフ型は、絶縁ベルトを使って
電荷を移動させます。
2.
線形加速器:
粒子を一直線に並べた
導体筒間で
高周波電圧を
印加することで加速します。長い直線的な構造を持ち、理論上は高
エネルギーまで加速することが可能です。
3.
円形加速器:
磁場によって荷電
粒子を円形の軌道で加速します。
サイクロトロンやシンクロトロンがこれに該当します。
-
サイクロトロンは一定の
磁場内で円形の軌道を描かせるもので、効率的な
エネルギー加速ができます。
- シンクロトロンは、高
エネルギーを必要とする際に使用され、
磁場を増加させることで
粒子を加速します。
実際の応用
加速器は、特に高
エネルギー物理学において重要な役割を果たしています。基本的な
素粒子の探求に加え、
放射線療法や新しい診断技術など医療分野でも活用されています。近年では、加速器による放射
光や
ポジトロン断層法(PET)のような医療技術も注目されています。
日本でも多くの加速器研究機関が設立され、様々な研究活動が行われています。
東北大学や高
エネルギー加速器研究機構をはじめとする施設では、
原子核物理学や医学応用に向けた研究が進められています。
まとめ
加速器は、
基礎科学と実用応用の両面で非常に重要な役割を担っています。特に高
エネルギー物理学や医学分野において、新たな発見や技術革新を生み出す源となっているのです。加速器のさらなる発展は、科学技術の進歩に不可欠であり、今後も注目されるべき分野であると言えるでしょう。